La scoperta che risolve il mistero della dolomite
La dolomite, un minerale comune, è un elemento chiave nella formazione di montagne e paesaggi naturali in tutto il mondo. Tuttavia, per secoli gli scienziati non sono riusciti a riprodurre in laboratorio le condizioni in cui si forma naturalmente. Ora, grazie a una nuova teoria sviluppata attraverso simulazioni atomiche, un team di ricercatori dell’Università del Michigan e dell’Università di Hokkaido a Sapporo, in Giappone, è riuscito a coltivare dolomite in laboratorio, risolvendo così un enigma geologico di lunga data noto come “Problema della Dolomite”.
La crescita della dolomite e la sua importanza
La dolomite è un minerale molto abbondante nelle rocce con più di 100 milioni di anni, ma quasi assente in formazioni più giovani. Capire come cresce in natura potrebbe insegnarci nuove strategie per promuovere la crescita cristallina di materiali tecnologici moderni. Il segreto per coltivare la dolomite in laboratorio è stato rimuovere i difetti nella struttura minerale man mano che cresce. Quando i minerali si formano in acqua, gli atomi di solito si depositano ordinatamente su un bordo della superficie cristallina in crescita. Tuttavia, il bordo di crescita della dolomite è costituito da file alternate di calcio e magnesio. In acqua, calcio e magnesio si attaccano casualmente al cristallo di dolomite in crescita, spesso inserendosi nel posto sbagliato e creando difetti che impediscono la formazione di ulteriori strati di dolomite. Questo disordine rallenta la crescita della dolomite a tal punto che potrebbero essere necessari 10 milioni di anni per formare un solo strato di dolomite ordinato.
La dissoluzione come chiave di volta
Fortunatamente, questi difetti non sono fissi. Poiché gli atomi disordinati sono meno stabili di quelli nella posizione corretta, sono i primi a dissolversi quando il minerale viene lavato con acqua. Sciacquare ripetutamente via questi difetti, ad esempio con pioggia o cicli di marea, consente la formazione di uno strato di dolomite in pochi anni. Nel corso del tempo geologico, possono accumularsi montagne di dolomite.
Tecniche di simulazione avanzate e applicazioni pratiche
Simulare la crescita della dolomite
Per simulare accuratamente la crescita della dolomite, i ricercatori dovevano calcolare quanto fortemente o debolmente gli atomi si attaccano a una superficie di dolomite esistente. Le simulazioni più accurate richiedono l’energia di ogni singola interazione tra elettroni e atomi nel cristallo in crescita. Tali calcoli esaustivi di solito richiedono enormi quantità di potenza di calcolo, ma un software sviluppato presso il PRISMS Center dell’Università del Michigan ha offerto una scorciatoia. Questo software calcola l’energia per alcune disposizioni atomiche, quindi estrapola per prevedere le energie per altre disposizioni basate sulla simmetria della struttura cristallina. Questa scorciatoia ha reso fattibile simulare la crescita della dolomite su scale temporali geologiche.
Verifica e applicazioni della teoria
Le poche aree in cui oggi si forma la dolomite sono soggette a inondazioni intermittenti e successiva asciugatura, il che si allinea bene con la teoria di Sun e Kim. Tuttavia, tali prove da sole non erano sufficienti per essere completamente convincenti. Yuki Kimura, professore di scienze dei materiali dell’Università di Hokkaido, e Tomoya Yamazaki, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Kimura, hanno testato la nuova teoria con una particolarità dei microscopi elettronici a trasmissione. Dopo aver posizionato un piccolo cristallo di dolomite in una soluzione di calcio e magnesio, Kimura e Yamazaki hanno inviato delicati impulsi di fascio elettronico 4.000 volte in due ore, dissolvendo i difetti. Dopo gli impulsi, si è visto che la dolomite cresceva di circa 100 nanometri. Sebbene si trattasse solo di 300 strati di dolomite, mai prima d’ora erano stati coltivati più di cinque strati di dolomite in laboratorio.
Le lezioni apprese dal Problema della Dolomite possono aiutare gli ingegneri a produrre materiali di qualità superiore per semiconduttori, pannelli solari, batterie e altre tecnologie. In passato, i coltivatori di cristalli che volevano produrre materiali senza difetti cercavano di farli crescere molto lentamente. La teoria mostra che è possibile far crescere materiali senza difetti rapidamente, se si dissolvono periodicamente i difetti durante la crescita.
